Doctorant (H/F) : Recyclage des batteries Li-ion par procédé thermochimique solaire
CNRS
- Font-Romeu-Odeillo-Via, Pyrénées-Orientales
- 2 135 €/mois
- CDD
- Temps-plein
Une batterie lithium-ion est composée de cinq composants principaux : anode, cathode, séparateur, électrolyte et collecteur de courant. L'anode est composée d'une feuille de cuivre recouverte de graphite ; la cathode est une feuille d'aluminium recouverte d'un matériau électrochimiquement actif. Le matériau actif est généralement un oxyde de lithium-métal de transition LiMO2, (où M signifie Co, Ni, Mn, Al) ou des matériaux NMC (Ni, Mn et Co) et NCA (Ni, Co et Al), avec des ratios différents entre des métaux particuliers. L'adhérence entre la feuille d'Al et le matériau actif est améliorée par un liant polymère, le plus souvent du fluorure de polyvinylidène (PVDF). La conductivité ionique est assurée par un électrolyte tel que des mélanges de carbonates d'alkyle et de sels de Li, tels que LiPF6.
Les quantités de métaux stratégiques par kWh de capacité de stockage sont les suivantes :
Lithium : 0.10 kg/kWh - 0.05 kg/kWh
Cobalt : 0.13 kg/kWh - 0.03 kg/kWh
Nickel : 0.48 kg/kWh - 0.39 kg/kWh
Parmi les éléments constitutifs présents dans batteries li-ion, le Co est le métal le plus étudié pour le recyclage en raison de son prix relativement élevé. En plus de Co, Li et Ni sont également des éléments cibles habituels pour le recyclage.Procédés classiques de recyclage des batteries Li-ion
Devant la demande très forte, notamment pour les véhicules électriques, la priorité actuelle est donnée à l'accroissement des capacités de production, avec le risque que les questions environnementales voire éthiques soient reléguées au second plan tandis qu'une crise climatique se profile. Le recyclage est donc un élément stratégique de ce développement afin de créer une boucle vertueuse d'économie circulaire.
Le recyclage des batteries Li-ion est une opération délicate qui reste très peu automatisée pour le moment car il n'y a pas de normes de standardisation relatives à la conception des packs de batteries. Le recyclage présente des risques électriques, thermiques et chimiques qu'il convient de maîtriser.
L'opération est généralement réalisée suivant 4 étapes :
-Stabilisation
-Prétraitement
-Séparation : une masse noire (« black mass ») est obtenue
-Traitement de la masse noire soit par hydrométallurgie (dissolution acide puis extraction) ; soit par pyrométallurgique (pyrolyse puis réduction des oxydes). Cette étape de réduction est très énergivore, exigeant des températures pouvant atteindre 1475 °C pendant 30 minutes.Le procédé solaire innovant proposé
Ce projet vise à mettre au point un procédé pyrométallurgique solaire pour la récupération des matériaux d'électrodes dérivés de batteries lithium ion usagées et remplacer ainsi une énergie émettrice de CO2 (combustion) par une énergie non émettrice renouvelable.
Ce procédé se divise en deux étapes :
D'une part, un prétraitement thermique par pyrolyse qui est une technologie recommandée actuellement dans les industries de recyclages des batteries pour l'élimination du liant et les impuretés organiques ainsi que la séparation des matériaux d'électrode et les feuilles de cuivre/aluminium.
D'autre part, une étape de réduction carbothermique in situ destinée à séparer les métaux de transition sous forme métallique. Le graphite récupéré de l'anode sera l'agent réducteur.Méthodologie
La méthodologie met en œuvre trois aspects pluridisciplinaires alliant approches théorique, expérimentale et de modélisation,
Approche théorique : thermodynamique (équilibre de phases),
Approche expérimentale : réacteur solaire prototype et caractérisation des réactifs et produits,
Modélisation : transferts couplés énergie, matière et réactions chimiques.
Nous proposons la démarche suivante :
- Synthèse des méthodes de recyclage existantes
- Etablissement d'un protocole basé sur les méthodes pyrométallurgiques
- Etude thermodynamique des équilibres de phases à hautes températures
- Expérimentations à l'échelle d'un four solaire de 1 kW
- Caractérisation des produits obtenus
- Modélisation du procédé (couplage transferts de chaleur, de matière et réactions chimiques)
- Développement d'un concept de procédé à l'échelle industrielle
Notons que des travaux préliminaires ont donné des résultats très encourageants à partir d'un protocole en deux étapes : pyrolyse à 580°C et carboréduction à 1000°CContexte de travailLe laboratoire PROMES est une Unité Propre du CNRS (UPR 8521) rattachée à l'Institut des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (INSIS) conventionnée avec l'université de Perpignan via Domitia (UPVD). Le laboratoire est localisé sur trois sites : Odeillo-Font Romeu (Four solaire de 1 MW du CNRS), Targasonne (Thémis, centrale à tour de 5 MW, site du Conseil Départemental des PO) et Perpignan, Tecnosud. Le laboratoire rassemble environ 150 personnes du CNRS et de l'UPVD autour d'un sujet fédérateur, l'énergie solaire et sa valorisation comme source d'énergie et de hautes températures. PROMES anime le laboratoire d'excellence (Labex) SOLSTICE (SOLaire : Sciences, Technologies, Innovations pour la Conversion d'Energie)
La recherche est organisée selon trois grandes thématiques
- Matériaux pour l'Énergie et l'Espace (MEE)
- Centrales Solaires de Prochaines Générations (CSPG)
- Stockage et Chimie Solaire (SCS).La thèse se déroulera à l'interface entre MEE et CSPG sous la direction de Ludovic Charpentier et Gilles Flamant (chercheurs au CNRS.
La thèse s'inscrit dans le cadre du projet ciblé "SHIP4D" du PEPR "SPLEEN" (Décarbonation de l'énergie dans l'industrie).Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.Contraintes et risquesPas de contraintes spécifiques sinon la mise en œuvre de fours solaires.Informations complémentairesLe Programme et Equipements Prioritaires de Recherche (PEPR) "Soutenir l'innovation pour développer de nouveaux procédés industriels largement décarbonés" (SPLEEN) s'inscrit dans la stratégie nationale d'accélération France 2030 « Décarbonation de l'industrie » et vise à préparer une offre technologique et des solutions en rupture qui contribueront à la tenue des engagements climatiques de la France à l'horizon 2050 et à renforcer la souveraineté nationale sur les technologies dédiées à la décarbonation.